Датирование гидратации обсидиана

Датирование гидратации обсидиана ( OHD ) – это метод определения возраста в абсолютном или относительном артефакта геохимический из обсидиана выражении .

Обсидиан — это вулканическое стекло , которое использовалось доисторическими людьми в качестве сырья при производстве каменных инструментов, таких как метательные наконечники, ножи или другие режущие инструменты, путем раскалывания или контролируемого отламывания частей, например, отслаивания под давлением.

Обсидиан обладает свойством минеральной гидратации и поглощает воду при воздействии воздуха с четко определенной скоростью. Когда необработанный узелок обсидиана первоначально раскалывается, в нем обычно содержится менее 1% воды. Со временем вода медленно диффундирует в артефакт, образуя узкую «полосу», «окантовку» или «корку», которую можно увидеть и измерить с помощью множества различных методов, таких как мощный микроскоп с увеличением 40–80 раз , профилирование глубины. с SIMS ( масс-спектрометрия вторичных ионов ) и IR-PAS (инфракрасная фотоакустическая спектроскопия). ^[1]^[2] Чтобы использовать гидратацию обсидиана для абсолютного датирования, необходимо понять условия, в которых находился образец, и его происхождение или сравнить его с образцами известного возраста (например, в результате радиоуглеродного датирования связанных материалов). ^[3]^[4]

История

Датирование гидратации обсидиана было введено в 1960 году Ирвингом Фридманом и Робертом Смитом из Геологической службы США . ^[5] Их первоначальная работа была сосредоточена на обсидианах из археологических раскопок на западе Северной Америки.

Использование вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) для измерения датировки гидратации обсидиана было внедрено двумя независимыми исследовательскими группами в 2002 году. ^[6]^[7]

Сегодня этот метод широко применяется археологами для датировки доисторических мест и мест доисторической эпохи в Калифорнии. ^[8] и Большой Бассейн Северной Америки. Он также применяется в Южной Америке, на Ближнем Востоке, на островах Тихого океана, включая Новую Зеландию и Средиземноморский бассейн.

Техники

Обычная процедура

Для измерения полосы гидратации от артефакта обычно вырезают небольшой кусочек материала. Этот образец измельчают до толщины примерно 30 микрометров и помещают на петрографическое предметное стекло (это называется шлиф). Затем гидратированную кожуру измеряют под мощным микроскопом, оснащенным каким-либо методом измерения расстояния, обычно в десятых долях микрометра. Техник измеряет микроскопическое количество воды, поглощенной только что поврежденными поверхностями. Принцип датирования гидратации обсидиана прост: чем дольше поверхность артефакта подвергается воздействию, тем толще будет полоса гидратации.

Процедура вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС)

В случае измерения края гидратации с использованием способности профилирования глубины методом вторичной ионной масс-спектрометрии образец монтируется на держатель без какой-либо подготовки или резки. Этот метод измерения является неразрушающим.Существует два основных режима ВИМС: статический режим и динамический режим, в зависимости от плотности тока первичных ионов, а также три различных типа масс-спектрометров: магнитный сектор, квадруполь и времяпролетный (TOF).Любой масс-спектрометр может работать как в статическом режиме (очень низкий ионный ток, анализ верхнего моноатомного слоя), так и в динамическом режиме (высокая плотность ионного тока, углубленный анализ).

Хотя относительно нечастое использование SIMS при исследовании поверхности обсидиана привело к большому прогрессу в датировании OHD. В целом SIMS относится к четырем категориям инструментов в зависимости от их действия; статический, динамический, квадрупольный и времяпролетный, TOF. По сути, это метод с большим разрешением на множестве химических элементов и молекулярных структур практически неразрушающим способом. Подход к OHD с совершенно новым обоснованием предполагает, что усовершенствование метода возможно таким образом, который улучшит как его точность, так и точность, а также потенциально расширит полезность за счет получения надежных хронологических данных. Ановиц и др. ^[9] представил модель, которая опиралась исключительно на диффузию, зависящую от состава, после численных решений (конечная разность (FD) или конечный элемент), разработанных на профиле H +, полученном SIMS. Последовало испытание модели с использованием результатов, полученных с горы 65, Чалко в Мексике, проведенной Ричипути и др. ^[10] В этом методе использовались численные расчеты для моделирования формирования всего профиля диффузии как функции времени и подгонялась полученная кривая к профилю водорода. Уравнения ФД основаны на ряде предположений о поведении воды при ее диффузии в стекло и характерных точках диффузионного профиля ВИМС H+.

На Родосе, Греция, под руководством и изобретением Иоанниса Лирициса, ^[11]подход к датированию основан на моделировании S-образного профиля водорода с помощью SIMS, следовании закону диффузии Фика и понимании поверхностного слоя насыщения (см. Рисунок). Фактически слой насыщения на поверхности формируется до определенной глубины в зависимости от факторов, к которым относятся кинетика механизма диффузии молекул воды, специфическая химическая структура обсидиана, а также внешние условия, влияющие на диффузию (температура, относительная влажность и давление). ^[12] В совокупности эти факторы приводят к формированию примерно постоянного значения граничной концентрации во внешнем поверхностном слое. Используя конечный продукт диффузии, была разработана феноменологическая модель, основанная на определенных начальных и граничных условиях и соответствующих физико-химических механизмах, которые выражают зависимость концентрации H ₂ O от профиля глубины как уравнение диффузии/времени.

Таким образом, это последнее достижение, новая масс-спектрометрия вторичных ионов с насыщением поверхности (SIMS-SS), включает моделирование профиля концентрации водорода на поверхности в зависимости от глубины, тогда как определение возраста достигается с помощью уравнений, описывающих процесс диффузии, в то время как топографические эффекты имеют было подтверждено и проверено с помощью атомно-силовой микроскопии . ^[13]^[14]^[15]^[16]

Ограничения

Несколько факторов усложняют простую корреляцию толщины полос гидратации обсидиана с абсолютным возрастом. Известно, что температура ускоряет процесс гидратации. Таким образом, артефакты, подвергающиеся воздействию более высоких температур, например, находящиеся на более низкой высоте , гидратируются быстрее. Кроме того, химический состав обсидиана, включая содержание воды, по-видимому, влияет на скорость гидратации. Как только археолог сможет контролировать геохимические характеристики обсидиана (например, «источник») и температуру (обычно аппроксимированную с использованием «эффективной температуры гидратации» или коэффициента EHT), он или она сможет датировать артефакт, используя обсидиан. техника гидратации. Давление водяного пара также может влиять на скорость гидратации обсидиана. ^[9]

Надежность метода, основанного на эмпирическом уравнении возраста Фридмана ( x²=kt , где x — толщина гидратной каймы, k — коэффициент диффузии, а t — время), подвергается сомнению по нескольким причинам, касающимся температурной зависимости, квадратного корня из время и определение скорости диффузии на образец и на участок в рамках некоторых успешных попыток применения процедуры и приложений. Процедура расчета возраста SIMS-SS разделена на два основных этапа. Первый шаг касается расчета подгоночного полинома 3-го порядка профиля ВИМС (уравнение 1). Второй этап касается определения слоя насыщения, т.е. его глубины и концентрации. Вся вычислительная обработка реализована в автономном программном обеспечении, созданном в пакете программ Matlab (версия 7.0.1) с графическим пользовательским интерфейсом и исполняемом под управлением Windows XP. Таким образом, уравнение возраста SIMS-SS в годах до настоящего времени дано в уравнении. 2:

$c=e^{a+bx+cx^{2}+dx^{3}}$
уравнение 1 Подгоночный полином профиля ВИМС

$T={\frac {(C_{1}-C_{2})^{2}\left({\frac {1.128}{1-{\frac {0.177kC_{1}}{C_{2}}}}}\right)^{2}}{4Dse\!f\!\!f\left(\left.{\frac {\mathrm {d} C}{\mathrm {d} x}}\right|_{x=0}\right)^{2}}}$
уравнение 2 Уравнение возраста SIMS-SS в годах до настоящего времени

Где Ci — собственная концентрация воды, Cs — концентрация насыщения, dC/dx — коэффициент диффузии для глубины x=0, k получен из семейства теоретических диффузионных кривых Крэнка, и $Ds,eff$ — эффективный коэффициент диффузии (уравнение 3), который связывает обратный градиент полинома аппроксимации с хорошо датированными образцами:

D _s,eff = aD _s + b/ (10 ²²Д _с ) = 8,051е ⁻⁶D _с +0,999/(1022D _с ), уравнение. 3

где Ds = (1/(dC/dx))10 ⁻¹¹ предполагая постоянный поток и принимаемый за единицу. Уравнение. (2) и предположение о единстве является предметом дальнейшего исследования. ^[17]

Несколько коммерческих компаний и университетских лабораторий предоставляют услуги по гидратации обсидиана.

См. также

Методика датирования (археология)

Ссылки

Цитаты

^ Стивенсон, К.; Лирицис, И.; Диакостаматиу, М. (2002). «Исследования по гидратному датированию гейского обсидиана». Средиземноморская археология и археометрия . 2 (1): 93–109.
^ Стивенсон, К.; Новак, SW (июль 2011 г.). «Датирование гидратации обсидиана методом инфракрасной спектроскопии: метод и калибровка». Журнал археологической науки . 38 (7): 1716–26. Бибкод : 2011JArSc..38.1716S . дои : 10.1016/j.jas.2011.03.003 .
^ Мейган, Клемент (1976). «Эмпирическое определение скорости гидратации обсидиана на основе археологических данных» . В Р.Э. Тейлоре (ред.). Достижения в исследованиях обсидианового стекла . стр. 106–19. ISBN 978-0-8155-5050-1 .
^ Лирицис, Иоаннис и Стивенсон, Кристофер М. (2012). Обсидиан и очки древнего производства . Альбукерке: Издательство Университета Нью-Мексико .
^ Фридман, Ирвинг; Роберт Л. Смит (1960). «Новый метод датирования с использованием обсидиана: Часть I, Развитие метода». Американская древность . 25 : 476–522. дои : 10.2307/276634 . JSTOR 276634 . S2CID 163403900 .
^ Лирицис, И.; Диакостаматиу.М (2002). «К новому методу датирования гидратации обсидиана с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов с использованием подхода поверхностного слоя насыщения» (PDF) . Средиземноморская археология и археометрия . 2 (1): 3–20.
^ Ричипути, ЛР; Дж. М. Элам; Л. М. Ановиц; Д. Р. Коул (2002). «Датирование диффузии обсидиана методом вторичной ионной масс-спектрометрии: тест с использованием результатов Кургана-65, Чалко, Мексика» . Журнал археологической науки . 29 (10): 1055–1075. Бибкод : 2002JArSc..29.1055R . дои : 10.1006/jasc.2001.0692 .
^ Мейган, Клемент (1983). «Обсидиановые свидания в Калифорнии». Американская древность . 48 (3): 600–609. дои : 10.2307/280567 . JSTOR 280567 . S2CID 163890591 .
^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Ановиц, Л.М.; Элам, М.; Ричипути, Л.; Коул, Д. (1999). «Неудачная датировка гидратации обсидиана: источники, последствия и новые направления» . Журнал археологической науки . 26 (7): 735–752. Бибкод : 1999JArSc..26..735A . дои : 10.1006/jasc.1998.0342 .
^ . Ричипути, ЛР; М. Дж. Элам; Л. М. Ановиц; Д. Р. Коул (2002). «Журнал археологической науки 29 (2002) 1055–1075». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ «Домашняя страница SIMS-SS» . Родос.aegean.gr. Архивировано из оригинала 11 января 2014 г. Проверено 19 апреля 2014 г.
^ Смит, Дж. М.; Смит, ХК Ван Хесс (1987). «Введение в термодинамику химической технологии, 4-е изд. МакГроу-Хилл, Нью-Йорк». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Лирицис, И. (2010). «Строфилас (остров Андрос, Греция): новые свидетельства кикладского последнего неолита, датированные с помощью новых методов люминесценции и гидратации обсидиана». Журнал археологической науки . 37 : 1367–1377. дои : 10.1016/j.jas.2009.12.041 .
^ Лирицис, И.; Бонини М. и Ласкарис Н. (2008). «Датирование гидратации обсидиана с помощью SIMS-SS: критерии пригодности поверхности по данным атомно-силовой микроскопии» . Анализ поверхности и интерфейса . 40 (3–4): 458–463. дои : 10.1002/sia.2672 .
^ Лирицис И. и Ласкарис Н. (2011). «Пятьдесят лет датирования гидратации обсидиана в археологии». Дж. Некристаллический. Твердые тела . 357 (10): 211–219. Бибкод : 2011JNCS..357.2011L . дои : 10.1016/j.jnoncrysol.2011.02.048 .
^ Бродки Р. и Лирицис И. (2004). «Датировка обсидиана: возможное применение явлений переноса (учебник)». Средиземноморская археология и археометрия . 4 (2): 67–82.
^ «www.rhodes.aegean.gr/tms/sims-ss» . Архивировано из оригинала 11 января 2014 г.

Общие ссылки

Эмброуз, В.; Новак, Юго-Запад; Абдельрехим, И. (2004). «Порошок обсидиана для определения скорости гидратации и термометрии на месте». Средиземноморская археология и археометрия . 4 (2): 17–31.
Лирицис (2006). «SIMS-SS Новый метод датирования гидратацией обсидиана: анализ и теоретические принципы». Археометрия . 48 (3): 533–547. дои : 10.1111/j.1475-4754.2006.00271.x .
Роджерс, АК (2008). «Проверка полевых данных алгоритма расчета эффективной температуры гидратации обсидиана». Журнал археологической науки . 35 (2): 441–447. Бибкод : 2008JArSc..35..441R . дои : 10.1016/j.jas.2007.04.009 .
Эркенс, Дж.В.; Вон, К.Дж.; Карпентер, ТР; Конли, Калифорния; Линарес Градос, Мойзес; Шрайбер, К. (2008). «Датирование гидратации обсидиана на южном побережье Перу». Журнал археологической науки . 35 (8): 2231–2239. Бибкод : 2008JArSc..35.2231E . дои : 10.1016/j.jas.2008.02.009 .
Лирицис, И; Ласкарис, Н. (2009). «Достижения в датировании гидратации обсидиана методом вторичной ионной масс-спектрометрии: мировые примеры». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция Б. 267 (1): 144–150. Бибкод : 2009NIMPB.267..144L . дои : 10.1016/j.nimb.2008.10.092 .

Внешние ссылки

Службы национальных парков Страница с описанием гидратации обсидиана

[Investigations_towards-1] Стивенсон, К.; Лирицис, И.; Диакостаматиу, М. (2002). «Исследования по гидратному датированию гейского обсидиана». Средиземноморская археология и археометрия . 2 (1): 93–109.

[Obsidian_hydration_dating_by_infrared-2] Стивенсон, К.; Новак, SW (июль 2011 г.). «Датирование гидратации обсидиана методом инфракрасной спектроскопии: метод и калибровка». Журнал археологической науки . 38 (7): 1716–26. Бибкод : 2011JArSc..38.1716S . дои : 10.1016/j.jas.2011.03.003 .

[3] Мейган, Клемент (1976). «Эмпирическое определение скорости гидратации обсидиана на основе археологических данных» . В Р.Э. Тейлоре (ред.). Достижения в исследованиях обсидианового стекла . стр. 106–19. ISBN 978-0-8155-5050-1 .

[4] Лирицис, Иоаннис и Стивенсон, Кристофер М. (2012). Обсидиан и очки древнего производства . Альбукерке: Издательство Университета Нью-Мексико .

[5] Фридман, Ирвинг; Роберт Л. Смит (1960). «Новый метод датирования с использованием обсидиана: Часть I, Развитие метода». Американская древность . 25 : 476–522. дои : 10.2307/276634 . JSTOR 276634 . S2CID 163403900 .

[6] Лирицис, И.; Диакостаматиу.М (2002). «К новому методу датирования гидратации обсидиана с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов с использованием подхода поверхностного слоя насыщения» (PDF) . Средиземноморская археология и археометрия . 2 (1): 3–20.

[7] Ричипути, ЛР; Дж. М. Элам; Л. М. Ановиц; Д. Р. Коул (2002). «Датирование диффузии обсидиана методом вторичной ионной масс-спектрометрии: тест с использованием результатов Кургана-65, Чалко, Мексика» . Журнал археологической науки . 29 (10): 1055–1075. Бибкод : 2002JArSc..29.1055R . дои : 10.1006/jasc.2001.0692 .

[8] Мейган, Клемент (1983). «Обсидиановые свидания в Калифорнии». Американская древность . 48 (3): 600–609. дои : 10.2307/280567 . JSTOR 280567 . S2CID 163890591 .

[The_failure_of_obsidian-9] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Ановиц, Л.М.; Элам, М.; Ричипути, Л.; Коул, Д. (1999). «Неудачная датировка гидратации обсидиана: источники, последствия и новые направления» . Журнал археологической науки . 26 (7): 735–752. Бибкод : 1999JArSc..26..735A . дои : 10.1006/jasc.1998.0342 .

[Journal_of_Archaeological-10] . Ричипути, ЛР; М. Дж. Элам; Л. М. Ановиц; Д. Р. Коул (2002). «Журнал археологической науки 29 (2002) 1055–1075». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[SIMS1-11] «Домашняя страница SIMS-SS» . Родос.aegean.gr. Архивировано из оригинала 11 января 2014 г. Проверено 19 апреля 2014 г.

[Introduction_to_Chemical-12] Смит, Дж. М.; Смит, ХК Ван Хесс (1987). «Введение в термодинамику химической технологии, 4-е изд. МакГроу-Хилл, Нью-Йорк». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[New_evidence_of_Cycladic-13] Лирицис, И. (2010). «Строфилас (остров Андрос, Греция): новые свидетельства кикладского последнего неолита, датированные с помощью новых методов люминесценции и гидратации обсидиана». Журнал археологической науки . 37 : 1367–1377. дои : 10.1016/j.jas.2009.12.041 .

[Obsidian_hydration_dating_by_SIMS-14] Лирицис, И.; Бонини М. и Ласкарис Н. (2008). «Датирование гидратации обсидиана с помощью SIMS-SS: критерии пригодности поверхности по данным атомно-силовой микроскопии» . Анализ поверхности и интерфейса . 40 (3–4): 458–463. дои : 10.1002/sia.2672 .

[Fifty_years_of_obsidian-15] Лирицис И. и Ласкарис Н. (2011). «Пятьдесят лет датирования гидратации обсидиана в археологии». Дж. Некристаллический. Твердые тела . 357 (10): 211–219. Бибкод : 2011JNCS..357.2011L . дои : 10.1016/j.jnoncrysol.2011.02.048 .

[The_dating_of_obsidian-16] Бродки Р. и Лирицис И. (2004). «Датировка обсидиана: возможное применение явлений переноса (учебник)». Средиземноморская археология и археометрия . 4 (2): 67–82.

[SIMS2-17] «www.rhodes.aegean.gr/tms/sims-ss» . Архивировано из оригинала 11 января 2014 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]